Точкові мутації у віддаленому звуковому цис-регуляторі їжака генерують змінний регулятивний вихід, відповідальний за попередню осьову по

Точкові мутації у віддаленому звуковому цис-регуляторі їжака генерують змінний регулятивний вихід, відповідальний за попередню осьову полідактилію

АНОТАЦІЯ

Точний просторовий та часовий контроль генів розвитку є визначальним під час ембріогенезу. Регуляторні мутації, що викликають місекспресію ключових генів розвитку, можуть лежати в основі ряду порушень розвитку. Природжена преаксіальна полідактилія, додаткові пальці, є взірцем цього нового класу мутацій і викликана позаматковою експресією сигнальної молекули Sonic Hedgehog (SHH) у кінцівці, що розвивається. Мутації в давно віддаленому, специфічному для кінцівок цис-регуляторі для SHH, званому ZRS, відповідають за позаматкову експресію, яка лежить в основі аномалії. Тут ми показуємо, що популяції домашніх котів, які виявляють зайві пальці, включаючи знаменитих полідактильозних кішок Хемінгуея, також містять мутації в межах ZRS. Полідактильних котів суттєво додають до кількості мутацій, раніше повідомлених у мишей і людини, і на сьогоднішній день, всі вони є поодинокими нуклеотидними замінами. Трансгенний аналіз миші показує, що ці поодинокі нуклеотидні заміни функціонують як мутації посилення функцій, які активують експресію Shh в ектопічному ембріональному місці;  і що контекст послідовності мутації відповідає за змінний регулятивний вихід. Пластичність регуляторної відповіді корелює як з фенотипічною мінливістю, так і з видовими відмінностями. Мутації полідактилії визначають новий генетичний механізм, що призводить до вроджених порушень людини та визначає патогенетичний механізм, який може лежати в основі інших вроджених захворювань.

ВСТУП

У геномі хребетних присутній ряд елементів кодуючої послідовності, які відрізняються суттєвим збереженням на величезних еволюційних відстанях (часто дається абревіатурою CNE для збережених некодуючих елементів) (1,2). Ці елементи мають значну довжину від 100 bp до кілобази і в ряді випадків виявились цис-регуляторами. CNE асоціюються з генами, які зазнають сильно оркестрованої регуляції, особливо з тими, хто бере участь у ключових процесах розвитку (3–5). Сигнальна молекула розвитку їжакового сигналу (SHH) має складну схему експресії, регульовану низкою цих висококонсервованих, модульних елементів (6). Один з них, ZRS, є цис-регулятором, який керує експресією Shh в розвививанні кінцівки конкретно в області, яка називається зоною поляризуючої активності (ZPA) (7–9). ZPA розташована уздовж заднього краю кінцівки і завдяки виробництву SHH регулює палець ідентичності та числа (10). ZRS також є надзвичайним прикладом регулятора дальньої дії. У геномі людини ZRS знаходиться на відстані 1 Мб від гена SHH і знаходиться в межах інтрону іншого гена, який сам по собі не має ролі в розвитку кінцівок (7,8,11). ZRS відрізняється високою збереженістю в довжину ∼800 bp і відіграє давню роль у розвитку придатків, що були нещодавно виявлені у хондріхтських риб (12).

Преаксіальна полідактилія людини (ППД) на хромосомі 7q36 [представлена ​​також як PPD типу II, трифалангового пальця (TPT) і трифалангового пальця-полісиндактилія (TPTPS)] включає широкий спектр пальцевих відхилень на преаксіальній або передній стороні рук і ніг (13–15). Моделі мишей для ППД (такі як мутанти Ssq і Hx) мали вирішальне значення для визначення основи розвитку цієї аномалії та показали, що преаксіальна полідактилія є результатом позаматкової експресії Shh на ділянці вздовж межі навпроти ZPA;  тобто на передній стороні зачатку кінцівки (16,17). Дані переконливі, що ППД є порушенням регуляції (8), що виникає внаслідок мутацій в межах ZRS (7,18).  Мутації ZRS завершуються місекспресією Shh, що генерує позаматкову ZPA і, отже, отримання надмірних пальців.

Тут ми досліджуємо мутації ZRS, щоб краще зрозуміти процес захворювання, що спричиняє додаткові елементи скелета. Аналіз на полідактильних котів, включаючи знаменитих кішок Хемінгуея, значно доповнює кількість мутацій, пов’язаних з цією аномалією. Мутації, які переосмислюють активність цис-регулятора шляхом зміни нормальної структури просторового вираження, в даний час унікальні для ZRS. Використовуючи трансгенний аналіз миші, ми показуємо, що мутації породжують сильно змінний шаблон експресії, залежний від положення та контексту послідовності мутації в межах ZRS. У ряді випадків особливості структури експресії, породжені мутацією, стосуються спостережуваного фенотипу. Специфічні точкові мутації стосуються виразних морфологічних змін у кінцівці, що породжує уявлення про те, що нові морфологічні форми не потребують складної молекулярної модифікації. Цис-регуляторні зміни за один крок можуть перетворити фундаментальну структурну особливість у ссавців.